工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時通訊技術(shù)分析

郝曉俊

（山西省公安廳信息通信處， 山西 太原 030001）

引言

工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時通訊技術(shù)是為了適應(yīng)工業(yè)市場環(huán)境的多態(tài)性，提供信息傳輸技術(shù)的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，并以此構(gòu)建專門的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，目的是通過使用共享的公共傳輸信息通道進(jìn)一步提高通信效率，以達(dá)到設(shè)備通信能力的要求[1]。當(dāng)然，工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時通訊是建立在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)之上，只有在互聯(lián)網(wǎng)開放的環(huán)境中才能創(chuàng)造出符合控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)者的要求，為工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展提供便利。

1 工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時通訊技術(shù)在工業(yè)自動化中的問題

1.1 通信實(shí)時性不強(qiáng)

工業(yè)以太網(wǎng)沒有得到很好的發(fā)展，其發(fā)展與采用訪問控制方式息息相關(guān)。首先，由于以太網(wǎng)采用的是CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方式，究其實(shí)質(zhì)是非實(shí)時的，所以根本無法滿足通信技術(shù)條件下的工業(yè)自動化要求，大大制約了工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)的發(fā)展[2]。其次，工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)要想在自動化領(lǐng)域中得到更好地發(fā)展，就必須要從實(shí)際工作出發(fā)，以工業(yè)基本設(shè)備情況為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，但目前大部分人認(rèn)為以太網(wǎng)缺乏底層工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，通信實(shí)時性不強(qiáng)而制約了工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展。

1.2 環(huán)境適應(yīng)性不高

最初以太網(wǎng)應(yīng)用于辦公環(huán)境，以此為基礎(chǔ)，逐漸將以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)自動化領(lǐng)域，但不僅缺乏實(shí)踐性，同時也考驗(yàn)了以太網(wǎng)適應(yīng)工業(yè)控制環(huán)境的能力。因此，想要工業(yè)以太網(wǎng)真正的運(yùn)行起來，提高以太網(wǎng)的抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)能力必不可少，尤其是著重考慮產(chǎn)品的輻射、振動、溫濕度和強(qiáng)度等問題，同時考慮以太網(wǎng)是否與工業(yè)安裝環(huán)境相契合，必須要確保所有參數(shù)都滿足工業(yè)化領(lǐng)域的要求后方能實(shí)施以太網(wǎng)通訊技術(shù)，否則受自身?xiàng)l件限制，以太網(wǎng)很難達(dá)到工業(yè)自動化領(lǐng)域的要求[3]。

1.3 實(shí)時安全性偏低

要提高工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的契合度，消除本質(zhì)安全防爆問題是關(guān)鍵。就目前工業(yè)通信技術(shù)來看，如果直接在原有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上運(yùn)用以太網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)控制通信技術(shù)，隨著高速網(wǎng)段問題不可避免?；诖?，從實(shí)時安全性方面考慮，只有攻克以上缺陷，才能保障工業(yè)以太網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。此外，對工業(yè)自動化而言，推進(jìn)以太網(wǎng)通訊技術(shù)與工業(yè)自動化的結(jié)合對強(qiáng)化工業(yè)生產(chǎn)有著非常積極的作用。

2 工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時通訊技術(shù)在工業(yè)自動化中的優(yōu)化

2.1 提高全集成自動化

以太網(wǎng)通訊技術(shù)與工業(yè)自動化領(lǐng)域的結(jié)合激發(fā)了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，一方面促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的效率，另一方面提高了工業(yè)生產(chǎn)高性能網(wǎng)絡(luò)的便捷性，同時隨著全集成自動化的普及，以太網(wǎng)在工業(yè)生產(chǎn)方面的可用性越來越高。當(dāng)然，任何途徑都離不開網(wǎng)絡(luò)管理，在此前提下提高全集成自動化是滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對市場需求的重要保障，為以太網(wǎng)實(shí)時通訊技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)定基礎(chǔ)[4]。

2.2 增加快速實(shí)時響應(yīng)

提高以太網(wǎng)的實(shí)時響應(yīng)速度有利于充分發(fā)揮工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域中的職能。在工業(yè)控制局域網(wǎng)傳輸過程中，以太網(wǎng)的實(shí)時響應(yīng)度關(guān)乎于工業(yè)內(nèi)部的發(fā)展，若不及時檢查對內(nèi)外信息的力度則達(dá)不到精準(zhǔn)效果，計(jì)算結(jié)果也會缺乏可靠性?？梢姡诠I(yè)控制局域網(wǎng)的前提下，工業(yè)自動化控制與以太網(wǎng)結(jié)合具有不同的表現(xiàn)形式，主要有以時間隨機(jī)性為主和數(shù)據(jù)定時運(yùn)算為主兩種，用以改善以太網(wǎng)通訊技術(shù)發(fā)展過程中的問題，逐漸完善工業(yè)通信對技術(shù)發(fā)展的客觀準(zhǔn)確度。如某電子企業(yè)，其傳輸控制主要以數(shù)據(jù)流通信為主，所以用戶接收到的信號有所不同，為了提高通訊設(shè)備的傳輸速度而加快實(shí)時響應(yīng)的速度，在TCP/IP的接收與發(fā)送基礎(chǔ)上提高實(shí)時響應(yīng)的速度，為企業(yè)設(shè)備提供傳輸便利。再者，如果網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)生故障，以太網(wǎng)通訊技術(shù)會迅速組織新的網(wǎng)絡(luò)鏈接，保障實(shí)時響應(yīng)安全性。

2.3 利用以太網(wǎng)交換機(jī)可以合理分割網(wǎng)絡(luò)

與傳統(tǒng)以太網(wǎng)不同的是，現(xiàn)代以太網(wǎng)利用交換機(jī)合理分割網(wǎng)絡(luò)線形成數(shù)據(jù)通道，不再受CSMA／CD的影響。共享式集線器常用于傳統(tǒng)以太網(wǎng)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，從共享式集線器的功能與結(jié)構(gòu)來看，它作為一種物理層中繼器連接所有站點(diǎn)并共享一個帶寬，故容易產(chǎn)生信息流沖突。而利用以太網(wǎng)交換機(jī)可以避免這一現(xiàn)象，只要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷測算，便能合理化。主要體現(xiàn)在，以太網(wǎng)交換機(jī)能夠合理分割網(wǎng)絡(luò)，形成可控性高的多端口形狀矩陣，即每條分割線成一個端口，而端口間的信息流是隔離狀態(tài)，因此不存在沖突域之說，只有在同一端口上的信息流才會發(fā)生沖突。由此可見，利用以太網(wǎng)交換機(jī)有利于形成多個端口多個數(shù)據(jù)通道，大大提高了網(wǎng)絡(luò)上每個站點(diǎn)的帶寬速度，是以太網(wǎng)革新的重要措施[5]。如早在2001年德國西門子公司便根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的要求發(fā)布了Profibus聯(lián)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)方案。而該方案核心在于交換機(jī)成為了網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)，并且按照接口數(shù)量連接好對應(yīng)的子網(wǎng)與節(jié)點(diǎn)。結(jié)合實(shí)踐來看，相比于傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，該方案不但得益于數(shù)據(jù)終端較多的優(yōu)勢，有效避免子網(wǎng)錯誤擴(kuò)散現(xiàn)象出現(xiàn)，同時可以在確保工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)運(yùn)用實(shí)時性情況下保證工業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺得以高效應(yīng)用。另外，由本質(zhì)層面來說，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)還能夠迅速地重組環(huán)網(wǎng)設(shè)備，不但使得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)得以在生活實(shí)踐中應(yīng)用，并且在擴(kuò)展上也簡單高效。

2.4 引入主—從通信方式

在工業(yè)現(xiàn)場儀表中，主—從通信方式得到廣泛應(yīng)用。之所以在工業(yè)以太網(wǎng)中引入主—從通信管理是因?yàn)閿?shù)據(jù)通信過程中數(shù)據(jù)沖突問題愈加明顯，而利用主—從通信管理有利于控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)通信防止沖突現(xiàn)象[6]。但值得注意的是，以太網(wǎng)能夠植入主—從通信方式取決于以太網(wǎng)沒有定義任何上層協(xié)議，基于此，才可以實(shí)現(xiàn)主—從通訊方式不受制于鏈路層協(xié)議。同時，CSMA／CD包含著競爭，但此現(xiàn)象在多站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時才會發(fā)生，若實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層中一個主站輪詢、從站響應(yīng)的機(jī)制，就能完全規(guī)避競爭現(xiàn)象，從而使以太網(wǎng)成為對等的主—從網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)語

在當(dāng)前我國工業(yè)迅猛發(fā)展背景之下，工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時通訊技術(shù)正憑借著自身諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注與應(yīng)用。在這種情況下這就要加大對其的研究力度，以此推動工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時通訊技術(shù)的大力發(fā)展，為我國工業(yè)生產(chǎn)作出積極貢獻(xiàn)。